《能源与可持续发展》详细大纲

《能源与可持续发展》第一部分绪论1讲（3学时）（1）课程介绍介绍课程的主要内容、组织形式、考核方式等（2）能源科学的内涵能量与能源、能量的基本性质、能源的概念、涉及的学科（3）能源的作用和地位能源更迭与社会发展、能源与国民经济、能源与人民生活第二部分能源及其环境、社会的关系3讲（9学时）（1）能源的分类及主要形式①能量的六种形式（化学能、热能、机械能、辐射能、电磁能、核能等）相互转换关系a、机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量b、构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能c、电能是和电子流动与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领d、辐射能是物体以电磁波形式发射的能量e、化学能：原子核外进行化学变化时放出的能量，按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能f、蕴藏在原子核内部的物质结构能。释放巨大核能的核反应有两种，即核裂变反应和核聚变反应能源：是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。“是可以从其中获得热、光和动力之类能量的资源”。a)能量的性质：状态性、可加性、传递性、转换性、做功性、贬值性b)能量的转换和传递特点：能量守恒和转换定律“自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。”c)能量转换基本原理：高温趋向低温，高能趋向低能量；能量转换效率d)能量的传输e)能量的储存②能源的分类（1、按获得方式：一次能源自然界存在的，可供直接利用的能源如煤、石天然气等，二次能源由一次能源直接或间接加工、转换而来的能源如电、煤气、焦炭等；2、被利用程度分为常规能源：其开发利用时间长、技术成熟、能大量生产并广泛使用，如煤炭、石油、天然气、水能等。常规能源有时被称为传统能源；新能源其开发利用较少或正在研究开发之中，如太阳能、地热能、潮汐能、氢能、生物质能等。3、本身性质：含能体能源其本身就是可以提供能量的物质，如石油、煤、天然气、氢等，它们可以直接储存，因此便于运输和传输，含能体能源又称为载体能源；过程性能源是指由可提供能量的物质的运动所产生的能源，如水能、风能、潮汐能、电能等；其特点是无法直接储存。4、按能否再生分为可再生能源与非再生能源；5、按对环境的污染情况分类分为清洁能源和非清洁能源）（2）能源的转换方式及条件（突出技术和专业特色）1化石燃料的转换方式1)化学能转换为热能：燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式，将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换成电能燃料燃烧的条件；所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。2)热能转换为机械能：将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，故通常又将其称为动力机械。应用最广泛的热机有蒸汽轮机、内燃机、燃气轮机等。3)火力发电厂系统：发电机将蒸汽轮机或燃气轮机的机械能转换成电能。火力发电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂火力发电厂作用：将燃料的化学能转换为电能主要设备:锅炉、汽轮机、发电机能量转换方式：化学能——热能——机械能——电能辅助系统：燃料系统、化水系统、除尘及灰渣系统、脱硫脱硝系统朗肯循环：水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水。再回到水泵中，完成一个循环锅炉的主要系统：汽水系统、烟风系统、制粉系统，以及其他辅助系统②核能的转换方式1)核能的来源：原子核中的核子重新分配时释放出来的能量，分为核聚变能，核裂变能，原子核衰变时的放射能核聚变：由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。核电站能量转换方式：核能——热能——机械能——电能2)核能利用现状：核裂变的核燃料主要是铀。与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：（1）是生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；（2）还要进行“后处理”3)核电站:反应堆分类及各种反应堆介绍：裂变反应堆能维持和控制核裂变的装置核反应堆构成：核燃料、慢化剂、热载体、控制设施、防护设置按用途分为生产堆、动力堆、试验堆、供热堆按冷却剂分为有机介质堆、水冷堆、液态、金属冷却堆按核燃料分为浓缩铀堆、天然铀堆、钚堆按慢化剂分为轻水堆、重水堆、石墨堆现在用于核电站的反应堆中，压水堆最多（约占61%）。压水堆的主要特点是：1、用价格低廉、到处可以得到的普通水作慢化剂和冷却剂。2、为了使反应堆内温度很高的冷却水保持液态，反应堆在高压力（水压约为15.5MPa）下运行3、由于反应堆内的水处于液态，驱动汽轮发电机组的蒸汽必须在反应堆以外产生4、不可能用天然铀作核燃料，必须使用浓缩铀（铀-235的含量为2—4%）作核燃料。核电站的构造和与火电站的区别、核电站系统一座百万千瓦级的燃煤电厂，每年耗煤230万吨（按7200小时计），产生二氧化碳650万吨、二氧化硫1700吨、氮氧化物400吨，还有大量的灰尘、固体颗粒等。每公斤铀-235裂变放出的能量相当于2880吨标准煤燃烧的能量，一座百万千瓦级的核能发电厂，每年产生800吨中放射性废物和30吨乏燃料。核电站的安全：第一道：燃料包壳；第二道：一回路压力边界；第三道：压力容器；第四道：安全壳。③可再生能源的转换方式（包括水能、太阳能、风能、生物质能等）1)太阳能a)太阳能热利用：太阳能热水器通常由平板集热器、蓄热水箱和连接管道组成、太阳能采暖、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能集热器、太阳能热动力发电、太阳能烟囱发电等；太阳能集热器构成：聚光器、吸收器和跟踪系统槽式系统（分散型太阳能热发电系统）工作流程：利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。塔式系统（集中型太阳能热发电系统）工作流程：在空旷的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔体内产生高温，再将通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电碟式系统碟式太阳能热发电系统采用旋转抛物面汇聚太阳光，聚光镜的聚光能把斯特林发动机内的工质温度加热到650度以上，使斯特林发动机正常运转起来。斯特林发动机带动发电机旋转发电。b)太阳能光利用：太阳能电池、光伏太阳能发电站。光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能2)风能风能利用的优劣势：清洁能源，但分布分散，且比较难以利用世界及我国的风力资源据估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有2%转换成风能，全球的风能约为27.4亿MW,其中可利用的风能为2000万MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW、风力发电技术：风力发电机主要由塔架、叶片、发电机等三大部分所构成。运转的风速必须大于每秒2至4米（依发电机不同而有所差异）不等，但是风速太强（约每秒25米）也不行，当风速达每秒10至16米时，即达满载发电3)地热能地热能利用的优劣势：清洁能源但比利用成本较高地热资源、地热发电系统1、地热蒸汽发电系统2、双循环发电系统3、全流发电系统4、干热岩发电系统对于地热能的开发利用，目前主要是在采暖、发电、育种、温室栽培和洗浴等方面，地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。4)生物质能a)生物质能利用的优劣势：生物质能是指利用自然界的植物以及城乡有机废物转化、生产的能源，有利于环境的保护，废物再利用，但是技术还不够成熟。b)生物质能利用技术：直接燃烧技术：炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧、固体燃料燃烧；物化转化技术：干馏、气化制生物质燃气、热解制生物质油；生化转化技术：厌氧消化、特种酶技术；植物油技术燃料乙醇、沼气、生物柴油5)海洋能a)潮汐能：潮汐发电技术：通过贮水库，在涨潮时将海水贮存在贮水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电、潮汐发电的优劣势;b)波浪能：波浪能发电技术波浪能的发电原理：利用波浪的上下运动产生气流或水流使转机转动；利用波浪装置的前后摆动或转动产生气流或水流使轮机转动；利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能；利用压电效应;c)温差能：温差发电技术;d)盐差能：盐差能发电技术;e)海流能：海流能发电技术我国及世界能源的现状、发展的趋势及面临的挑战能源的现状当今世界的能源消费情况（总消费量和各行业消费量）全球2011年总能源消耗量175.35亿吨标煤，化石燃料为主，占全球能源消费量的87%2）化石燃料消耗预测目前全世界能源年总消费量约为175亿吨标准煤,化石能源占到了87%。化石燃料峰值在2030年左右3)近几年我国能源状况2011年中国主要能源产品消费量能源消费量34.8亿吨标准煤，比上年增长7.0%煤炭消费量增长9.7%；原油消费量增长2.7%；天然气消费量增长12.0%；电力消费量增长11.7%一次能源生产总量31.8亿吨标准煤，比上年增长7.1%2011年中国能源产品生产量2011年我国煤炭产量35.2亿吨，约占一次能源生产总量78.6％；煤炭消费总量35.7亿吨；原油产量2.04亿吨；原油消耗4.53亿吨，原油对外依存度达55.2%。综合煤炭、油气进口总量，我国能源对外依存度由本世纪初的7％上升到2011年的14％。在粗放的发展模式下，我国煤炭生产和消费规模逐年递增。国家能源局预测，到2015年全国煤炭年需求将达到39亿吨。“十三五”以后，全国煤炭需求量在40亿吨。2011年中国能源消耗总量为34.8亿吨标煤，以煤炭为主；核能、太阳能、风能等新能源较少。发电量逐年增加，装机容量10.56亿千瓦。我国的能源生产量逐年增加，能源缺口仍然严重，2011年能源缺口约3亿吨标煤未来我国能源需求预测：预计到2050年，石油进口5.6亿吨，占全世界贸易总量的17.23%。2050年能源消费总量63亿tce,2005-2050总消耗量793亿tce②能源发展的趋势1)世界能源总消费量的发展趋势：逐年增加2)可再生能源消费量的发展趋势：各国在大力发展可再生能源3)人均能源消费量与人均GDP③能源发展面临的挑战国际形势：能源资源竞争日趋激烈，一些发达国家长期形成的能源资源高消耗模式难以改变，发展中国家工业化和现代化进程加快，能源消费需求将不断增加，全球能源资源供给长期偏紧的矛盾将更加突出。能源的战略属性、政治属性更加凸显，围绕能源资源的博弈日趋激烈。能源供应格局深刻调整作为全球油气输出重地的西亚、北非地区局势持续动荡。美国和加拿大页岩气、页岩油等非常规资源开发取得重大突破，推动全球化石能源结构变化。美国出台了《未来能源安全蓝图》，提出“能源独立”新主张，加大本土能源资源开发，调整石油进口来源。日本福岛核电站核泄漏事故不仅影响了世界核电发展进程，而且对全球能源开发利用方式产生了深远影响；全球能源市场波动风险加剧；围绕气候变化的博弈错综复杂；能源科技创新和结构调整步伐加快国内形势1.、资源制约日益加剧，能源安全形势严峻2、生态环境约束凸显，绿色发展迫在眉睫3、发展方式依然粗放，能效水平亟待提高4、能源基础设施建设滞后，协调发展任重道远5、自主创新能力不足，能源产业大而不强6、体制约束日益显现，深化改革势在必行主要任务1、加强国内资源勘探开发2、推进能源高效清